[发明专利]一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法

说明书

本发明涉及一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，首先采用两个高数值孔径（NA，Numerical Aperture）透镜组成4π聚焦系统；接着在4π聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；然后两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场从像空间完全收集并准直到光瞳面，通过求解逆问题得到光瞳面上的电场分布；最后将光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦区附近产生具有预定特性的三维多焦斑阵列。本发明利用空间偶极子阵列的辐射场产生三维多焦斑阵列时无需冗长的迭代优化过程，且每个焦斑外形和强度相同，数量可控，位置和间隔可定制。

技术领域

本发明涉及三维多焦斑阵列的产生技术领域，特别是一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法。

背景技术

在高数值孔径(NA)透镜紧聚焦下形成的亚波长焦斑，在显微镜、光学数据存储、激光微纳加工、高分辨光学成像等方面具有重要的应用。因此，从数值和实验上已经报道了许多用于产生焦斑的方法。

例如，在较早时期，学者们重点研究在焦区附近沿光轴产生一个焦斑或多个焦斑，即一维光斑阵列。然而，在一些特定的应用场合，例如并行成像和多点加工，需要使用二维焦斑阵列，因其具有高效率、并行性和同时性的内在特质。于是，学者们提出了许多方法，在高数值孔径(NA)透镜的横向焦面上直接实现二维多焦斑阵列。其中，一类是采用光学元件，如分束器、微透镜阵列和衍射光学元件，将入射光束分成多个光束。另一类是在光学聚焦系统中插入光调制器对矢量光束进行调控，从而形成多光斑阵列。

此外，近年来在焦区构建三维光斑阵列，引起了广泛的关注，其原因在于其拥有许多实际应用，如多个平面上的粒子捕获和操纵、超材料加工制造等方面。比如，2012年，J.Yu等人论证了一个产生三维焦斑阵列的方案，它使用两个相分离的微光学元件和一个达曼波带板联合传统的二维达曼光栅。2014年，基于矢量德拜的三维傅立叶变换方法，H.Ren等人报道了高质量的德拜衍射受限三维多焦斑阵列的产生方法。外形可控的三维多焦斑阵列还可由二维纯相位调制光栅结合一个纯相位附加轴移调制器来实现。最近，利用由许多环形子区组成的环形分区相位带产生位置可控的三维动态多焦斑。

然而，上述实现三维多焦斑阵列的方法都存在一个局限性，那就是需要冗长的迭代优化过程。因此缺乏简易性和灵活性，并且生成的三维焦斑的均匀性、数量、位置和间距不易控制。在某些特定场合，需要使用具有强度均匀、数量可控和位置与间距可定制的三维多焦斑阵列。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，由该方法所产生的多焦斑阵列具有相同强度、可控数量、可预定的位置与间隔的特点。

本发明采用以下方案实现：一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：采用两个高数值孔径(NA)透镜组成4π聚焦系统；

步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径透镜组成的4π聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；其中，所述空间偶极子阵由M×N×Q个阵元分别沿着X轴、Y轴和Z轴放置的电偶极子构成；

步骤S3：两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场从像空间完全收集并准直到光瞳面，通过求解逆问题得到光瞳面上的电场分布；

步骤S4：将步骤S3中的光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦区附近产生具有预定特性的三维多焦斑阵列。

进一步地，步骤S2中，所述空间偶极子阵的元因子和阵因子分别表示为：